Измеритель точки росы: пояснение

Портативный измеритель точки росы

Зимой мы часто наблюдаем обычное явление: из-за низкой температуры на улице тёплый влажный воздух помещения конденсируется на оконном стекле, и оно запотевает. Если понаблюдать внимательнее и включить в помещении осушитель, чтобы постепенно удалить влагу, можно обнаружить, что, хотя температура на улице остаётся прежней, конденсат на оконном стекле медленно исчезает, и стекло снова становится чистым и прозрачным.

Если температура на улице снизится ещё больше, то при её падении до определённого уровня на оконном стекле всё равно образуется мутный слой конденсата, даже если осушитель сделал воздух в помещении очень сухим. Это показывает, что температура конденсации на стекле связана с содержанием воды в окружающей атмосфере. Дальнейшие исследования выявляют взаимно однозначное соответствие: каждой температуре конденсации (которую мы называем температурой точки росы) соответствует определённое значение содержания воды в окружающей атмосфере.

Точку росы можно просто понимать как температуру, при которой содержание водяного пара в газе достигает насыщения; это один из способов выражения абсолютной влажности газа. Таким образом, температура точки росы представляет собой систему единиц для измерения содержания влаги в газе, а анализатор точки росы — прибор, который измеряет абсолютное содержание влаги в газе на основе этой системы единиц.

Прецизионная индикация точки росы

Подводя итог, измерители точки росы измеряют газы, которые, как правило, выполняют три функции: энергетический газ, технологический газ и окружающий газ.

Энергетический газ служит источником энергии для пневматических приборов и оборудования и широко применяется в промышленных областях и на промышленных площадках с особыми требованиями взрывозащиты.

Технологический газ служит технологической средой — участвует в технологических реакциях, выполняет роль защитного газа или служит газом для калибровки — и широко применяется в соответствующих производственных процессах современной промышленности. Окружающий газ как технологическая среда широко присутствует в соответствующих технологических условиях гражданской и военной промышленности.

Измеритель точки росы появился из потребности предприятий контролировать содержание влаги в газах. Чтобы получать высококачественную продукцию или обеспечивать нормальную работу оборудования, такие отрасли, как нефтехимия, энергетика, электроника, аэрокосмическая промышленность, металлургия и текстильная промышленность, должны строго контролировать влажность. По мере развития технологий и повышения качества продукции требования к контролю влажности становятся всё выше.

Так измерение влажности постепенно стало формирующейся технической областью. В 1986 году в Китае был официально создан профессиональный комитет по влажности и влагосодержанию, проведено несколько научных конференций; постепенно были разработаны нормативные документы по метрологической поверке средств измерения влажности. Согласно соответствующим нормативным документам, влажность определяется как содержание водяного пара в газе, а общепринятые единицы включают г/л, ppm, мм рт. ст., точку росы и относительную влажность. Традиционно точка росы -20 °C является границей, разделяющей измеряемые газы на газы с высокой влажностью и газы с низкой влажностью (то есть следовую влагу). Здесь мы сосредоточимся на измерении газов с низкой влажностью.

Тип с охлаждаемым зеркалом

Газы с различным содержанием влаги конденсируются на зеркале при разных температурах. С помощью фотоэлектрической техники регистрируется слой конденсата и измеряется температура конденсации, что позволяет непосредственно отображать точку росы. Методы охлаждения зеркала включают полупроводниковое охлаждение, охлаждение жидким азотом и охлаждение сжатым воздухом высокого давления. Измеритель точки росы с охлаждаемым зеркалом использует прямой метод измерения; благодаря точной регистрации конденсата, эффективному охлаждению зеркала и точному измерению температуры конденсации он может применяться в качестве эталонного измерителя точки росы. В мировой практике наивысшая точность достигает ±0,1 °C (по температуре точки росы), а общая точность — в пределах ±0,5 °C.

Измеритель точки росы с электрическим датчиком

Используя гидрофильные или гидрофобные материалы в качестве диэлектрика для образования конденсатора или резистора, при прохождении влажного газа диэлектрическая проницаемость или проводимость изменяется соответствующим образом. Измеряя ёмкость или сопротивление в этот момент, можно определить содержание влаги в газе. Такие датчики, построенные на системе единиц точки росы, образуют анализатор точки росы с электрическим датчиком. В мировой практике наивысшая точность достигает ±1,0 °C (по температуре точки росы), а общая точность — в пределах ±3 °C.

Электролитический измеритель точки росы

Используя свойство таких материалов, как пентаоксид фосфора, после поглощения влаги разлагаться на полярные молекулы и тем самым накапливать заряд на электродах, создан электролитический анализатор следовой влаги, построенный на системе единиц абсолютного содержания влаги.

Измеритель точки росы на кварцевом генераторе

Используя свойство изменения частоты колебаний кварцевого кристалла при увлажнении, можно создавать измерители точки росы на кварцевом генераторе. Это сравнительно новая технология, которая ещё не полностью отработана. За рубежом существуют соответствующие изделия, но они отличаются невысокой точностью и очень высокой стоимостью.

Инфракрасный измеритель точки росы

Используя характеристики инфракрасного поглощения влаги в газах, можно создавать инфракрасные измерители точки росы. Такие приборы с трудом измеряют низкие точки росы, главным образом потому что пиковая обнаружительная способность инфракрасных детекторов пока не достигает порядка величин, соответствующих поглощению следовой воды, а другие компоненты газа создают помехи инфракрасному поглощению. Тем не менее это весьма новая технология, имеющая большое значение для бесконтактного поточного контроля содержания влаги в окружающих газах.

Полупроводниковый датчик

Каждая молекула воды имеет собственную частоту колебаний. Когда она попадает в промежутки кристаллической решётки полупроводника, возникает резонанс с возбуждённой зарядами решёткой, причём резонансная частота пропорциональна числу молей воды. Резонанс молекул воды вызывает высвобождение свободных электронов в полупроводниковом переходе, повышая проводимость решётки и снижая импеданс. Полупроводниковые измерители точки росы, построенные на этом принципе, позволяют измерять следовую влагу вплоть до точки росы -100 °C.

Гравиметрический метод

Классический метод измерения. Образцовый газ проходит через влагопоглотитель, который поглощает его влагу; поглощённую воду точно взвешивают, и отношение к объёму образцового газа даёт влажность газа. Преимущество — высокая точность, максимальная допускаемая погрешность достигает 0,1 %. Недостаток — сложность практической реализации: необходимо получить достаточную массу поглощённой воды (как правило, не менее 0,6 г), что особенно трудно для газов с низкой влажностью и требует увеличения расхода образцового газа, в результате чего возрастает время измерения и погрешность (измеряемая влажность не является мгновенным значением). Поэтому данный метод пригоден только для газов с точкой росы выше -32 °C, и лишь немногие приборы на рынке основаны исключительно на этом методе.

Из приведённого анализа следует, что ключевой вопрос гравиметрического метода — как точно измерить влагу, поглощённую влагопоглотителем. Поскольку прямое измерение затруднительно, были разработаны два косвенных метода измерения поглощённого содержания воды.

Электролитический метод

Влага, поглощённая влагопоглотителем, электролизуется в электролитической ячейке до водорода и кислорода и выводится; ток электролиза пропорционален содержанию влаги, поэтому по его измерению получают влажность образцового газа. Этот метод преодолевает недостатки гравиметрического метода: диапазон измерений простирается ниже -80 °C, точность хорошая, а стоимость низкая. Недостатки: газовый тракт электролитической ячейки требует длительной сушки перед использованием, а также предъявляются высокие требования к коррозионной агрессивности и чистоте газа.

Частотный метод

Влагопоглотитель гравиметрического метода заменяют гигроскопичным кварцевым кристаллом. Поскольку частота колебаний кристалла изменяется в зависимости от массы поглощённой влаги, через кристалл пропускают образцовый газ и стандартный сухой газ, получая различные разности частот колебаний △f1 и △f2; влажность образцового газа вычисляют по разности этих двух частот. Этот метод обладает теми же преимуществами, что и электролитический, и не требует сушки перед использованием.

Метод охлаждаемого зеркала

Также классический метод измерения. Образцовый газ проходит мимо конденсационного зеркала в камере охлаждаемого зеркала; при изобарном охлаждении образцовый газ достигает насыщения и конденсируется (на зеркале образуются капли), а температура зеркала в этот момент и есть точка росы образцового газа. Его основное преимущество — высокая точность: при полупроводниковом охлаждении и фотоэлектрической регистрации неопределённость может достигать даже 0,1 °C. Недостатки — медленный отклик, особенно ниже точки росы -60 °C, где установление равновесия может занимать несколько часов, а также высокие требования к чистоте и коррозионной агрессивности образцового газа; в противном случае фотоэлектрическая регистрация нарушается или «ложная конденсация» вызывает погрешность измерений.

Портативный измеритель точки росы

Импедансно-ёмкостный метод

Непрерывно совершенствующийся метод измерения влажности. Поверхность стержня из алюминия высокой чистоты окисляют до ультратонкой плёнки оксида алюминия, поверх которой наносят пористую сетчатую золотую плёнку; между золотой плёнкой и алюминиевым стержнем образуется конденсатор. Благодаря способности плёнки оксида алюминия поглощать воду ёмкость изменяется в зависимости от содержания влаги в образцовом газе; измеряя эту ёмкость, получают влажность газа. Основные преимущества — более низкий диапазон измерений, вплоть до -100 °C, и очень быстрый отклик: от сухого состояния до влажного достигается 90 % в течение минуты, что делает метод пригодным для полевых и быстрых измерений. Недостатки — худшая точность, обычно неопределённость ±2~3 °C, а также сильное старение и дрейф, требующие калибровки каждые 3–6 месяцев. Однако благодаря постоянным усилиям производителей метод постоянно совершенствуется: например, за счёт улучшения материалов и технологии существенно повышена стабильность датчиков, а за счёт компенсации кривой отклика достигнута насыщенная линейность, что решило проблему автоматической калибровки.

Как выбрать измеритель точки росы

Измерители точки росы (приборы для измерения влажности) используют самые разные методы измерений, которые сильно различаются по характеристикам и цене. Выбор подходящего измерителя точки росы для ваших задач имеет первостепенное значение: помимо характеристик и цены следует учитывать условия применения, а также тип и коррозионную агрессивность измеряемого газа. Ниже приведены некоторые базовые принципы; кроме того, вы всегда можете проконсультироваться со специалистами VicoMeter.